Научная статья на тему 'Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома'

Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома Текст научной статьи по специальности «Металлургия»

CC BY
95
15
Поделиться
Ключевые слова
УГЛЕРОД / ЭЛЕКТРОПЛАВКА / БРИКЕТЫ / СИНТИКОМ / НАУГЛЕРОЖИВА-ТЕЛЬ / КАРБОТЕРМИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ / CARBON / ELECTROFUSION / BRIQUETTES / SINDICOM / NAPLANOVANE / CARBOTHERMIC REDUCTION

Аннотация научной статьи по металлургии, автор научной работы — Дорофеев Генрих Алексеевич, Янтовский Павел Рудольфович, Степанов Ярослав Михайлович

Показано, что использование в электропечах брикетов синтикома на основе Fe-O-C вносит принципиальные изменения в главную реакцию сталеварения окисление углерода, а также в получение из высокоуглеродистых брикетов синтикома в печи высокоэффективного науглероживателя в виде железоуглеродистого расплава нового типа.

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Дорофеев Генрих Алексеевич, Янтовский Павел Рудольфович, Степанов Ярослав Михайлович,

ANALYSIS OF THE BEHAVIOR OF CARBON IN THE PROCESS OF ELECTRIC SMELTING WITH THE USE OF HIGH-CARBON BRIQUETTES SINTICOM

It is shown that the use of electric furnaces the briquettes synticom based on Fe-O-C is making fundamental changes in the main reaction of steelmaking, the oxidation of carbon, as well as the possibility of obtaining high-carbon briquettes in a furnace synticom highly effective naegleriasis in the form of iron-carbon melt is a new type.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома»

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@ Hst.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»,

Parshin Valeriy Mihajlovich, doctor of technical sciences, director, par-shinvm@,gmail. com, Russia, Moscow, State Scientific Center of the Russian Federation Federal State Unitary Enterprise (FSUE) I.P. Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy

УДК 621.745.4

АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕРОДА В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ

ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ БРИКЕТОВ СИНТИКОМА

Г.А. Дорофеев, П.Р. Янтовский, Я.М. Степанов

Показано, что использование в электропечах брикетов синтикома на основе ¥е-О-С вносит принципиальные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода, а также в получение из высокоуглеродистых брикетов синтикома в печи высокоэффективного науглероживателя в виде железоуглеродистого расплава нового типа.

Ключевые слова: углерод, электроплавка, брикеты, синтиком, науглерожива-тель, карботермическое восстановление.

Введение в шихтовку электродуговых печей брикетов синтикома на основе элементов Бе - О - С вносит существенные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода. Суть их заключается в создании нового фронта взаимодействия углерода и конденсированного кислорода, представленного оксидами железа, который содержит брикеты синтикома. Данный фронт служит одновременно зоной получения железа прямого восстановления и образования в печи значительного количества монооксида углерода, являющегося потенциальным энергоносителем в случае его дожигания до СО2. Помимо отмеченных явлений, одним из важных следствий эффекта применения брикетов синтикома на оксидо-угольной основе является науглероживание ванны и дополнительное развитие процесса обезуглероживания. Это сопровождается, в свою очередь, выделением СО, интенсивным кипением и перемешиванием ванны, ускоренным нагревом металла и его рафинированием, более быстрым шлакообразованием и другими позитивными эффектами. Кроме того, интенсивное образование СО и его более раннее выделение внутри слоя холодной шихты, начинающееся сразу с момента загрузки брикетов синтикома, существенно улучшает условия дожигания СО до СО2 и повышает степень усвоения этого тепла благодаря совмещению зон образования СО, его дожигания и передачи тепла.

Изложенное выше представляет собой результат многочисленных исследований, выполненных 10 - 20 лет назад российскими исследователями и существенно опередивших соответствующие работы за рубежом. Среди этих иссдеователей особо следует выделить труды Г.Н. Еланского, В.П. Цымбала, А.В. Павлова.

Использованные в опытной серии плавок брикеты на основе окалины и коксовой мелочи отличались весьма высоким содержанием наугле-роживателя порядка 30 % и по этому параметру не имеют прецедентов. Наличие в составе брикетов столь значительного количества углеродного компонента придало этим материалам в дополнение к их обычным свойствам качество высокоэффективного науглероживателя нового типа, отличающегося от известных жидкофазным состоянием и особо высокой концентрацией углерода в науглероженном железе.

Общее количество брикетов синтикома в опытной серии плавок составило 112 т, или 7,47 т в среднем на плавку. Из общего расхода брикетов на долю коксика приходилось 33,6 т, или 2240 кг на каждую плавку. С этим количеством коксика в ДСП за всю серию опытных плавок поступило 27,89 т углерода, или в среднем 1859,33 кг углерода на плавку.

Восстановление оксидов железа синтикома данного состава в виде Бе203 и БеО при суммарной доле их 60 % требует ориентировочно расхода 100 кг углерода на 1 т материала, или 238,1 кг на 1 тонну полученного железа. Общая потребность на полное восстановление всех окислов железа, имеющихся в 112 т брикетов, составляет

100 х 112 = 12000 кг = 11,2 т, или 746,67 кг углерода в среднем

на плавку.

Избыток углерода, оставшийся неизрасходованным на карботерми-ческое восстановление, будет равен

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

27,89 - 11,20 = 16,69 т, или 16690 кг.

Это количество углерода вносится в электропечь и идёт на дополнительное науглероживание образующегося железа прямого восстановления и в конечном счете науглероживание металлической ванны. В расчёте на одну плавку вносится 1112,67 кг дополнительного науглероживателя в виде углерода. Этому соответствует содержание углерода в восстановленном железе, равное (10,99/44,8)*100=37,25 %. Столь высокое содержание углерода в железе не имеет прецедента и будет рассмотрено далее. Наличие дополнительного количества науглероживателя данного типа, причем в жидком состоянии, является одной из главных особенностей опытных плавок.

Ввод брикетов в шихтовку опытных плавок существенно изменяет исходное содержание углерода в шихте. Металлическая шихта опытных плавок включает в себя лом и чугун в количестве соответственно 2368,7 и 225,4 т при общей их массе 2594,1 т. Принимая концентрацию углерода в

73

этих материалах, равной 0,3 и 4, 5 %, или 3 и 45 кг/т соответственно, определим общее содержание углерода в металлической части шихты опытных плавок:

2368,7 х 3 + 225,4 х 45 = 7106,0 + 10143,0 = 17249 кг, или 17,25 т.

На одну плавку приходится 1150 кг углерода. Среднее содержание углерода в исходной шихте при этом составит

17,25 / 2594,1 х100 =0,665 %.

В процессе плавки весь этот углерод окисляется, удаляясь из металла.

Использование брикетов синтикома кардинально увеличивает содержание углерода в шихте. С учётом наличия в материале 27,89 т углерода суммарное количество углерода достигнет значения

17,25 + 27,89 = 45,14 т, или 3009,3 кг на плавку.

Следовательно, при работе ДСП с использованием брикетов общее количество углерода в шихте возрастает с 17,25 до 45,14 т, или в 2,62 раза. При этом общая концентрация углерода в шихте, вносимого металлической шихтой и брикетами синтикома, будет равна

(45,14 х 100) / 2594.1 = 1,74 %.

Это значение существенно больше концентрации углерода в шихте, создаваемой металлической шихтой и равной 0,665 %. В среднем на плавку содержание углерода увеличивается с 1150 до 3009,3 кг. Принимая во внимание расходование части углерода брикетов синтикома на восстановление в количестве 11,2 т, не участвующего в выплавке стали, количество углерода, поступающего в ДСП, несколько снижается и становится равным

(17,25 + 27,89 - 11,2) = 33,94 т, или 2262,67 кг в среднем на плавку.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Применительно к этому содержание углерода в шихте опытных плавок с учётом расходования части углерода на восстановление будет равно

(33,94 х 100) / 2594,1 = 1,36 %.

Это несколько меньше исходного содержания углерода в шихте, составляющего 1,74 %, но достаточно велико - превышается практически вдвое этот показатель на сравнительных плавках.

Для сравнительных плавок при массе исходной металлической шихты 2621,0 т и доле лома и чугуна соответственно 2327,3 и 293,7 т содержание углерода в шихте будет равно

2327,3 х 3 + 293,7 х 45 = 6981,9 + 13216,5 = 20198,4 кг, или 20,20 т.

На одну сравнительную плавку при этом приходится 1346,67 кг углерода. Соответственно концентрация углерода в шихте сравнительных плавок составит

(20,2 х 100) / 2621,0 = 0,77 %.

Концентрация углерода в металлической шихте, равная 0,77 %, близка к аналогичному показателю опытных плавок, равному 0,665 %. Несколько большая величина его объясняется более высоким количеством твёрдого чугуна в шихте сравнительных плавок -293,7 т против 225,4 т в опытной серии. Однако ввод в шихту опытных плавок брикетов синтикома повышает содержание углерода в шихте до 1,36 % и делает разницу в содержании углерода весьма существенной.

Сопоставляя представленные выше результаты, приходим к выводу о том, что применение брикетов синтикома данного состава резко увеличивает содержание углерода в шихте по сравнению с работой электропечей на одном металлическом сырье - с 0,665 до 1,36 %. Приведенные параметры показывают, какие значительные изменения вносит использование брикетов синтикома в содержание исходного количества углерода в шихте, увеличивая его в два раза.

Отмеченный выше фактор является главенствующим, отличая процесс электроплавки на металлической шихте с добавлением брикетов син-тикома от классической технологии.

Выполненный выше анализ относится ко всей массе шихты, используемой в серии опытных и сравнительных данных, в целом. Рассмотрим теперь эти данные применительно к отдельной плавке.

Для опытных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого на одну плавку брикетами синти-

кома:

33,6 / 15 = 2,24 т/плавку, или 2240 кг/плавку;

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- то же в пересчёте на углерод:

27,89 /15 = 1,859 т/плавку, или 1859,3 кг/плавку;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):

17,249 / 15 = 1,1499 т/плавку, или 1150 кг/плавку;

- суммарное поступление (приход) углерода из металлошихты и брикетов синтикома:

45,14 / 15 = 3,009 т/ т шихты, или 3009,3 кг/т шихты;

Для сравнительных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого брикетами синтикома: 0;

- количество углерода, вносимого брикетами синтикома: 0;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):

20,20 /15 = 1,347 т/плавку, или 1347 кг/плавку.

Удельный расход углерода на опытных плавках составил (45,14 х 103) / 263 8,90 = 17,11 кг/т шихты; или 45,14 х 10 / 2416,51 = 18,68 кг/т полупродукта;

При учёте убыли части углерода на восстановление железа значение этих показателей будет равным

(33,94 х 103) / 263 8,9 = 12,86 кг/т шихты, или (33,94 х 103) / 2416,51 =

= 14,05 кг/т полупродукта.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

На сравнительных плавках эти показатели составили соответственно

(20,20 х 103) / 2621,0 = 7,71 кг/т шихты, или (20,20 х 103)/23 91,77 =

= 8,45 кг/т полупродукта.

Отличие между этими параметрами для опытных и сравнительных плавок представляется весьма значимым, достигающими 1,66 раза.

В традиционной классической электроплавке на металлическом сырье поведение углерода складывается из двух отдельных процессов. Первый из них - окисление углерода металлической ванны с целью получения заданной концентрации углерода в металле перед выпуском полупродукта из печи. Второй - окисление углерода, вдуваемого в шлак с целью его вспенивания и экранирования электрических дуг, протекающий в жидкий период плавки после полного расплавления всей шихты и образования жидкой металлической ванны. К науглероживанию металла данный процесс не имеет отношения. При этом количество окисляемого углерода сопоставимо по величине и составляет 4...8 кг на тонну стали для каждого из этих элементов плавки.

Введение по ходу электроплавки брикетов синтикома создаёт новый дополнительный фронт окисления углерода, располагающийся непосредственно в кусках материала. Присутствие в составе брикетов одновременно углерода и окислителя в виде кислорода оксидов железа (конденсированного кислорода) создаёт в сочетании с подводом энергии необходимые и достаточные условия для их взаимодействия. Результатом этого является карботермическое восстановление железа из его оксидов, сопровождающееся образованием нового железа и выделением монооксида углерода. При этом часть углерода окисляется конденсированным кислородом оксидов железа, снижая его содержание по сравнению с необходимым. Оставшаяся в избытке большая часть углерода переходит в железо, образуя высокоуглеродистый расплав, который далее стекает вниз и поступает в металлическую ванну, дополнительно науглероживая её. Данный расплав при этом выполняет роль жидкометаллического науглероживателя, не имеющего аналогов.

Процесс карботермического восстановления протекает с момента начала плавки и ввода брикетов в электропечь и происходит одновременно и параллельно с расплавлением шихты. Образующийся расплав, имея повышенную концентрацию углерода, приобретает при этом дополнительную склонность к обезуглероживанию. Одним из доминирующих факторов, усиливающих этот эффект, является присутствие в железоуглеродистом расплаве части углерода, находящегося в виде ультрадисперсных частиц графита в свободном виде (коллоидный раствор углерода в железе). Вследствие этого создаются благоприятные условия для начала более ран-

него окисления углерода, а именно с момента начала плавления. Сдвиг обезуглероживания в начало плавки создаёт предпосылки для интенсивного кипения, перемешивания металла и шлака, улучшения шлакообразования и рафинирования, ускорения нагрева. Одним из следствий этого является тенденция получения к концу плавки весьма низкой концентрации углерода на уровне 0,02...0,04 %.

Следовательно, появление в электропечи нового фронта окисления углерода, которым являются собственно брикеты синтикома, одновременно сдвигает окисление углерода в расплаве, образующемся из синтикома и металлической шихты, в начало плавления. Это означает возникновение в электродуговой печи ещё одной области обезуглероживания, роль которой выполняет расплав, образующийся из металлошихты и восстановленного железа. Повышенная концентрация углерода в этом расплаве, обусловленная науглероживающей способностью брикетов синтикома, выполняет в этом случае роль достаточного условия. Отмеченное выше раннее начало окисления углерода является одним из преимуществ технологии электроплавки с применением синтикома.

Дополнительное и весьма существенное науглероживание металлической ванны вызывает необходимость последующего удаления избыточного углерода и соответствующего увеличения расхода окислителя. Роль процесса обезуглероживание металлической ванны при этом полностью сохраняется, однако окисление углерода при этом усиливается и приобретает более развитый характер. Достаточно сравнить случай обезуглероживания ванны с высокой и более низкой концентрацией углерода.

Из изложенного следует, что дополнительный ввод в шихту брикетов синтикома, обладающих высоким науглероживающим эффектом, кардинально меняет баланс углерода и его поведение, в том числе природу процесса обезуглероживания и его характер. Наличие в составе шихты брикетов синтикома создаёт новые области окисления углерода, располагающиеся непосредственно в кусках этого материала, а также существенно изменяет традиционный процесс обезуглероживания металлической ванны, усиливая его. Одновременно с этим достигается перенос начала окисления углерода с жидкого периода на начало плавления. Это создаёт условия для ведения плавки с непрерывным окислением углерода по ходу всего процесса, существенно ускоряющим тепломассообмен по сравнению с существующей технологией.

Отдельно рассмотрим вопрос о количестве высокоуглеродистого расплава - чугуна, который образуется из восстановленного железа и жидкого металла, получаемого в результате перехода металлической шихты из твёрдого в жидкое состояние. Из 33,6 т углерода, присутствующего в 112 т брикетов синтикома, на дополнительное науглероживание расходуется его часть, равная 16,69 т. При содержании в чугуне 4,2 % углерода или 42 кг/т

чугуна, данное выше количество углерода по науглероживающей способности эквивалентно следующему количеству чугуна: (16,69 х 10 ) /42 = =397,38 т чугуна.

Следовательно, науглероживающая способность синтикома оказывается достаточной для образования 397,38 т жидкого чугуна. Это означает возможность получения непосредственно в электродуговой печи жидкого чугуна, причём в значительных количествах - для данных условий 26,5 т на плавку, или 164,49 кг/т полупродукта.

Таким образом, работа дуговой сталеплавильной печи при вводе в её шихту синтикома позволяет благодаря его высокой науглероживающей способности переводить значительную часть расплава, образующегося из твёрдой металлошихты и в результате восстановления, в расплав чугуна. В данном случае доля жидкого чугуна на опытных плавках составила (397,3 х 100) / 2416,51 = 16,44 %. С технологической точки зрения это эквивалентно заливке в электропечь жидкого чугуна с массой, составляющей 16 % от общей массы металлошихты.

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

С позиций энергетики увеличение удельного расхода углерода на опытных плавках до 14,05 вместо 8,5 кг/т стали в сравнительных плавках приводит к поступлению в печь дополнительного количества тепла. На плавках с использованием 46,5 кг/т синтикома общее количество тепла от окисления углерода до СО и дожигания СО до СО2 при степени дожигания 40 % и коэффициенте усвоения тепла 55 % составляет 89 кВт*ч/т стали. Это существенно превышает аналогичный показатель на опытных плавках без применения синтикома, равный 48 кВт*ч/т.

Сквозной энергетический КПД при этом составляет 57...59 %. Данное значение существенно превышает показатели известных вариантов применения других энергоносителей, в том числе и наилучшие из них.

Отметим особо, что приведенная величина значительно превышает сквозной энергетический КПД ЭДП при работе ее на электрической энергии, равный всего 20...25 %.

Суммарная энергоемкость работы ЭДП с использованием брикетов синтикома не превышает 1490 кВт*ч/т стали. Удельные выбросы СО2 при этом составляют менее 400 кг/т металла.

Показатели, характеризующие новую технологию подтверждают, что по технологической, энергетической, экологической и экологической эффективности новый способ превосходит существующие технологии выплавки стали. Можно ожидать, что принцип максимального использования углерода в ЭДП получит широкое применение в электроплавке.

Список литературы

1. Инновационное развитие электросталеплавильного производства: монография / А.Г. Шалимов, А.Е. Семин, М.П. Галкин, К. А. Косарев. М.: Металлургиздат, 2014. 308 с.

2. Патент РФ № 2539890. Способ выплавки стали в электродуговой печи и электродуговая печь. Опубл. 27.01.2015. Бюл. № 3.

3. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г. А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.

4. Дорофеев Г.А.. Афонин С.З., Шевелев Л.Н. Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.112 с.

Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@,list.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»

Янтовский Павел Рудольфович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»

Степанов Ярослав Михайлович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»

ANALYSIS OF THE BEHA VIOR OF CARBON IN THE PROCESS OF ELECTRIC

SMELTING WITH THE USE OF HIGH-CARBON BRIQUETTES SINTICOM

Не можете найти то что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

G.A. Dorofeev, P.R Yantovskiy, Y.M. Stepanov

It is shown that the use of electric furnaces the briquettes synticom based on Fe-O-C is making fundamental changes in the main reaction of steelmaking, the oxidation of carbon, as well as the possibility of obtaining high-carbon briquettes in a furnace synticom highly effective naegleriasis in the form of iron-carbon melt is a new type.

Key words: carbon, electrofusion, briquettes, sindicom, naplanovane, carbothermic reduction.

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@,list.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»

Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,

Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Production Enterprise «Innovative technologies and materials» LLC